ПЛАВИЛЬНАЯ ПЕЧЬ Российский патент 2013 года по МПК F27D19/00 

Изобретение относится к плавильной печи и способу ее функционирования.

Плавильные печи и способы их функционирования известны, например, из немецкой выложенной заявки DE 10 2005 034 378 А1, а также из немецкого патента DE 10 2005 034 409 В3.

При изготовлении стали в плавильных печах температуры и суровая среда препятствуют измерению и получению характеристик содержимого печи в процессе плавки. Если, например, для плавки скрапа из различных сортов стального скрапа используется электродуговая печь, то скрап плавится в зоне действия электрической дуги (излучения), которая обычно формируется с помощью трех электродов. Так как во время работы электродуговой печи длина электрической дуги обычно поддерживается постоянной, электрические дуги/электроды выступают в скрап. За счет соскальзывания с боков и обрушения скрапа постепенно весь скрап расплавляется. Этот процесс как по времени, так и по пространству очень неоднороден, так как заполнение скрапом может быть очень неравномерным, и может содержаться мелкий скрап, а также крупный скрап с массивными частями, так называемыми заготовками или настылями («козлами»).

Так как процесс плавки, ввиду закрытой печи, невозможно наблюдать, в известных плавильных печах электрическая рабочая точка, определяемая вторичным напряжением внешнего проводника и заданным током, задается согласно постоянной диаграмме цикла работы. Такая диаграмма цикла работы может, например, устанавливать трансформаторную ступень и заданное значение импеданса регулирования электродов в зависимости от времени плавки или введенной энергии. Регулирование электродов может, например, осуществляться на основе импеданса профиля, чтобы достичь постоянной длины электрической дуги.

Недостаток постоянной диаграммы цикла работы состоит в том, что электрические средства производства сильно нагружаются и соответственно этому должны рассчитываться на очень высокие нагрузки. Если, например, в процессе плавки происходит обрушение скрапа, то вызванные этим короткие замыкания между электродами могут обусловить быстрое поднятие электродов, из-за чего может произойти прерывание электрической дуги. Это обстоятельство и повторное зажигание электрической дуги значительно нагружают электрические средства производства.

Другой недостаток постоянных диаграмм цикла работы или программ цикла работы для управления электродуговой печью состоит в том, что они, в зависимости от расчета, либо не могут полностью использовать располагаемую производительность плавки, либо приходится мириться с повышенным износом огнеупорного материала и повышенными тепловыми потерями.

Из японского реферата 09159511 А известна плавильная печь с признаками согласно родовому понятию пункта 1 формулы изобретения.

В основе изобретения лежит задача предложить плавильную печь, которая обеспечивает возможность усовершенствованного выполнения процесса.

Эта задача в соответствии с изобретением решается плавильной печью с признаками согласно пункту 1 формулы изобретения. Предпочтительные выполнения соответствующей изобретению печи приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Согласно этому в соответствии с изобретением предусмотрено, что возбудитель колебаний расположен противоположно сенсору таким образом, что часть колебаний или звуковых волн возбудителя колебаний через находящийся в корпусе печи расплав достигает сенсора, причем возбудитель колебаний выполнен таким образом, что он в качестве внешнего возбуждения вырабатывает импульсы колебаний или частоту колебаний, которая непрерывно пилообразно изменяется, и причем блок регистрации сигналов и вычисления выполнен таким образом, что он определяет время распространения импульсов колебаний и/или интенсивность сигнала измеренных сенсором импульсов измерений или формирует передаточную функцию, которая задает передачу колебаний между местом внешнего возбуждения и противолежащим сенсором, и путем оценки времени распространения и/или интенсивности сигнала или путем оценки передаточной функции получает выводы относительно положения расплава, типа расплава или распределения расплава в корпусе печи.

Существенное преимущество соответствующей изобретению плавильной печи может усматриваться в том, что в ней можно контролировать процесс плавки, и развитие процесса плавки становится измеримым, при этом сигналы возбуждения колебаний после прохождения через внутреннее пространство печи измеряются сенсором и оцениваются блоком регистрации сигналов и вычисления. Это позволяет, например, выполнять регулирование процесса плавки, направляемое процессом и ориентированное на состояние и настраивать мощность электрической дуги оптимальным образом на соответствующее состояние процесса плавки. Например, это может осуществляться через задание трансформаторной и дроссельной ступени, рабочих точек трехфазного тока и/или через превентивное вмешательство для перемещения электродов. Также могут определяться, например, наилучшие моменты времени для засыпки шихтовых материалов.

Согласно особенно предпочтительному выполнению, предусмотрено, что блок регистрации сигналов и вычисления выполнен с возможностью коррелировать сигнал сенсора с сигналом возбуждения возбудителя колебаний и/или посредством комбинированной оценки возбуждения колебаний и измеренной вибрации делать выводы относительно процесса плавки.

Предпочтительным образом блок управления и/или возбудитель колебаний выполнен с возможностью формировать импульсы колебаний с длительностью импульса 10 миллисекунд, особенно предпочтительно 1 миллисекунда или короче.

Альтернативным образом или дополнительно, блок управления и/или возбудитель колебаний выполнен с возможностью варьировать частоту колебаний в диапазоне от 10 Гц до 20 кГц.

С блоком регистрации сигналов и вычисления предпочтительным образом соединено устройство регулирования, которое может формировать параметры регулирования для регулирования процесса плавки. В отношении размещения возбудителей колебаний и сенсоров в качестве предпочтительного рассматривается, если с каждым возбудителем колебаний сопоставлен противолежащий сенсор.

Изобретение, кроме того, относится к способу функционирования плавильной печи, причем осуществляется внешнее возбуждение корпуса печи колебаниями, вибрация, возникающая за счет внешнего возбуждения, измеряется, и возбуждение колебаний и измеренная вибрация оцениваются, причем часть колебаний или звуковых волн возбудителя колебаний через находящийся в корпусе печи расплав направляется к сенсору, расположенному напротив возбудителя колебаний, с помощью возбудителя колебаний в качестве внешнего возбуждения вырабатываются импульсы колебаний или частота колебаний, которая непрерывно пилообразно изменяется, и определяется время распространения импульсов колебаний и/или интенсивность сигнала измеренных сенсором импульсов измерений, или формируется передаточная функция, которая задает передачу колебаний между местом внешнего возбуждения и противолежащим сенсором, и путем оценки времени распространения и/или интенсивности сигнала или путем оценки передаточной функции получаются выводы относительно положения расплава, типа расплава или распределения расплава в корпусе печи.

Относительно преимуществ соответствующего изобретению способа, можно сослаться на вышеприведенные выводы в связи с соответствующей изобретению плавильной печью, так как преимущества соответствующего изобретению способа соответствуют, по существу, преимуществам соответствующей изобретению плавильной печи.

Предпочтительным образом при оценке коррелируют вибрацию и внешнее возбуждение.

Предпочтительным образом импульсы колебаний вырабатываются с длительностью импульса максимум 10 миллисекунд, особенно предпочтительно максимум 1 миллисекунда.

Изобретение также относится к блоку регистрации сигналов и вычисления для плавильной печи, который выполнен с возможностью осуществления способа, как описано выше.

Изобретение поясняется далее более подробно на примерах выполнения, при этом на чертежах в качестве примера показано следующее:

Фиг.1 - пример выполнения соответствующей изобретению плавильной печи в схематичном представлении,

Фиг.2 - плавильная печь согласно фиг.1 на виде сверху,

Фиг.3 - плавильная печь согласно фиг.1 на виде сбоку,

Фиг.4 - распространение колебаний в плавильной печи согласно фиг.1 и

Фиг.5 - временная характеристика механических импульсов возбуждения и соответствующих импульсов измерений.

На чертежах для наглядности, для идентичных или сопоставимых компонентов применяются одинаковые ссылочные позиции.

На фиг.1 показана плавильная печь 10, которая содержит корпус 20 печи. Снаружи на стенке 30 корпуса 20 печи размещены три возбудителя 40, 41, 42 колебаний. Размещение возбудителей 40, 41, 42 колебаний на стенке 30 печи осуществляется предпочтительно осесимметрично с углом поворота 120^о или 240^о.

В случае возбудителей 40, 41, 42 колебаний речь идет предпочтительно об инерциальных возбудителях колебаний или инерциальных возбудителях.

Кроме того, на фиг.1 можно видеть, что снаружи на стенке 30 корпуса 20 печи размещены три сенсора 50, 51, 52. Три сенсора 50, 51, 52 на стенке 30 печи также размещены осесимметрично с углом поворота 120^о или 240^о, как видно из фиг.2 (В=120°, А=60°).

Размещение сенсоров 50, 51, 52 относительно возбудителей 40, 41, 42 колебаний предпочтительно выбрано таким образом, что сенсоры и возбудители колебаний являются попарно противолежащими друг другу. Так из фиг.1 можно видеть, что сенсор 50 расположен напротив возбудителя 40 колебаний, сенсор 51 - напротив возбудителя 41 колебаний, и сенсор 52 - напротив возбудителя 42 колебаний.

Три сенсора 50, 51, 52 через защищенные линии 60, которые проложены, например, в кабелепроводах, соединены с блоком 70 усилителя и преобразователя. За блоком 70 усилителя и преобразователя размещен блок 90 регистрации сигналов и вычисления, подсоединенный через световод 80.

Блок 90 регистрации сигналов и вычисления, кроме того, соединен (например, посредством защищенных линий) с блоком 100 управления, в случае которого речь может идти, например, о возбудителе-формирователе колебаний, например, в форме усилителя мощности. Блок 100 управления (например, через защищенные линии) на стороне выхода соединен с тремя возбудителями 40, 41, 42 колебаний и управляет ими в зависимости от управляющих сигналов блока 90 регистрации сигналов и вычисления.

Блок 90 регистрации сигналов и вычисления на стороне выхода, кроме того, соединен с устройством 110 регулирования, которое может формировать параметры R регулирования для управления процессом плавки в плавильной печи 10. Параметры R регулирования могут формироваться, например, для трансформатора, дросселя, перемещений электродов, моментов времени загрузки шихтовых материалов и/или подачи сред.

На фиг.2 размещение трех сенсоров 50, 51, 52, а также трех возбудителей 40, 41, 42 колебаний еще раз показано на виде сверху. Можно видеть симметричное размещение сенсоров и возбудителей колебаний, а также тот факт, что сенсоры и возбудители колебаний являются пространственно противолежащими. Посредине корпуса 20 плавильной печи 10 размещены три электрода 120, с помощью которых энергия плавления, требуемая для плавления расплава, вводится в корпус 20 печи.

На фиг.3 корпус 20 печи показан в прозрачном представлении на виде сбоку. Виден возбудитель 40 колебаний, а также относящийся к нему сенсор 50. В середине корпуса 20 печи можно видеть три электрода 120. кроме того, схематично показан расплавляемый расплав, обозначенный ссылочной позицией 200. Кроме того, можно видеть, что в расплавленном расплаве 200 имеется скрап с повышенной плотностью, который вызывает скачок плотности. Скрап с повышенной плотностью обозначен с помощью ссылочной позиции 210.

На фиг.4 в качестве примера показано распространение колебаний в форме звуковых волн, которые генерируются возбудителями 40 колебаний. Видно, что часть колебаний или звуковых волн направляется через стенку 30 печи к сенсорам 50, 51, 52. Другая часть колебаний или звуковых волн достигает через расплав 200, непосредственно или через отражения, сенсоров 50, 51, 52.

На фиг.4 можно видеть, что скрап 210 с повышенной плотностью приводит как к повышенному поглощению колебаний или звуковых волн, так и к отражениям колебаний или звуковых волн внутри корпуса 20 печи. Поглощение главным образом вызывается во внутренности 230 областей 210, а отражения главным образом вызываются на границах 220 плотности.

На фиг.5 в качестве примера показана временная характеристика импульса 290 колебаний сигнала IE1 возбуждения; импульс 290 колебаний формируется возбудителем 40 колебаний к моменту времени t0.

Кроме того, на фиг.5 можно видеть сигналы S1, S2 и S3, которые измеряются сенсорами 50, 51, 52. Так можно видеть, что сенсор 50, противолежащий возбудителю 40 колебаний, в случае возбуждения плавильной печи 10 импульсом 290 колебаний измеряет два импульса 300 и 310 измерений (сигнал S1 измерения). Сенсор 51 измеряет сигнал S2 измерения, который имеет три импульса 320, 30 и 340 измерения. Сенсор 52 принимает в сигнале S3 измерения, например, тоже три импульса измерения, которые на фиг.5 обозначены ссылочными позициями 350, 360 и 370.

Путем оценки импульсов измерений трех сенсоров 50, 51 и 52 - при дополнительном учете сигналов возбуждений трех возбудителей 40, 41 и 42 колебаний - блок 90 регистрации сигналов и вычисления может сделать выводы относительно состояния процесса внутри корпуса 20 печи и процесса плавки. Это поясняется ниже более подробно.

Как уже упомянуто выше, в плавильной печи 10, согласно фиг.1-4, внешнее возбуждение корпуса 20 печи колебаниями в некотором месте стенки печи комбинируется с регистрацией колебаний или соответствующего корпусного звука на противоположной стороне или любом другом месте корпуса. За счет комбинированной или коррелированной оценки возбуждения колебаний и измеренных колебаний или сигналов корпусного звука можно затем, в числе прочего, также сделать выводы относительно содержимого печи, например, когда отражения звука внутри расплава позволяют сделать выводы о наличии колебаний плотности.

Для ввода колебаний используются возбудители 40, 41 и 42 колебаний, которые предпочтительно размещаются на стенке печи таким образом, что они находятся в определенном положении по отношению к сенсорам 50, 51 и 52. Сенсоры 50, 51 и 52 могут, например, быть образованы посредством датчиков ускорений и/или датчиков корпусного звука. Для формирования колебаний могут применяться один, два или три или даже более возбудителей колебаний. Управление возбудителями колебаний осуществляется через блок 100 управления, который, в свою очередь, управляется блоком 90 регистрации сигналов и вычисления.

Вибрация, возникающая на стенке 30 печи, измеряется сенсорами 50, 51 и 52, и сигналы через защищенные линии 60 могут направляться в центральный блок 70 усилителя и преобразователя вблизи от корпуса 20 печи и затем через световод 80 могут направляться, без воздействия помех, на большие расстояния, которые могут составлять 100 м или более, в блок 90 регистрации сигналов и вычисления. Там сигналы оцифровываются, например, при достаточно высокой частоте дискретизации (например, от 10000 до 50000 выборок в секунду) и коррелируются с сигналами возбуждения возбудителей 40, 41 и 42 колебаний с помощью алгоритмов оценки. Предпочтительно выполняется комбинированная оценка возбуждения колебаний и измеренных сигналов корпусного звука.

Чтобы теперь получить информацию о содержимом скрапа и распределении в печи, имеются различные возможности измерений и оценки, которые далее описываются в качестве примера.

Согласно первому предпочтительному варианту, предусмотрено, что возбудители 40, 41 и 42 колебаний излучают короткие импульсы, которые предпочтительно короче, чем одна миллисекунда. Это показано на фиг.5 в качестве примера с помощью сигнала IE1 возбудителя 50 колебаний. Если применяется несколько возбудителей колебаний, как это можно видеть в примере выполнения согласно фиг.1-5, импульсы предпочтительным образом излучаются со смещением по времени, так что в любое время возможно точное сопоставление сигналов измерения с возбудителями 40, 41 и 42 колебаний. Сенсоры 50, 51 и 52 регистрируют с временной задержкой соответственно временам распространения звука (временами распространения колебаний) соответствующие импульсы колебаний на стенке 30 печи. Это схематично показано на фиг.4. Имеются различные пути для распространения звука. Звук может распространяться через стенку 30 печи и через находящийся в печи скрап (расплав). При этом могут иметь место отражения, как это показано для примера на фиг.4. Различные пути распространения звука имеют следствием различные времена распространения и интенсивности сигнала, как по времени, так и локально для отдельных сенсоров. Из сигналов сенсоров 50, 51 и 52 и соответствующих опорных сигналов - при пустой печи - можно за счет оценки временных интервалов между пиками сигналов и интенсивности (высоты) пика сигнала сделать вывод о типе скрапа и распределении скрапа. Например, можно грубо вычислить данные местоположения относительно положения тяжелого скрапа, так как тяжелый скрап имеет более высокую плотность, чем нормальный скрап, и поэтому приводит к повышенному отражению, а также к повышенному или пониженному (в зависимости от частоты) поглощению звуковых волн. Также экранирование внутренней стенки корпуса печи, то есть внутренней стороны стенки 30 корпуса 20 печи, посредством скрапа может количественно определяться.

Согласно другому предпочтительному выполнению способа предусмотрено, что возбудители 40, 41 и 42 колебаний излучают и вводят через стенку 30 печи в корпус 20 печи частоту колебаний, которая, например, может непрерывно изменяться пилообразно от нижней частоты до верхней частоты, или наоборот, от верхней частоты к нижней частоте. Нижняя частота может составлять, например, около 10 Гц, а верхняя частота, например, около 20 кГц.

Если применяется несколько возбудителей 40, 41 и 42 колебаний, то они функционируют предпочтительно друг за другом. Из знания колебания возбудителя, то есть колебания, вызываемого возбудителями колебаний, можно для каждого из трех сенсоров 50, 51 и 52 вычислитель передаточную функцию Н(ω) звука. Эта комплексная функция для каждого из трех сенсоров 50, 51 и 52 будет иметь характеристический ход как функция частоты ω в зависимости от различных заполнений скрапом внутри корпуса 20 печи, так как различные типы скрапа и их распределение в корпусе 20 печи различным образом влияют на перенос звука в зависимости от частоты, таким образом, различным образом задерживают по времени, ослабляют и/или отражают. Поэтому, при предварительно выполняемых опорных измерениях, для различных типов скрапа, заполнений скрапом и для соответствующего развития процесса плавления определяются характеристические опорные функции для передаточной функции Н(ω) звука. За счет сравнения измеряемой при последующей работе плавильной печи 10 передаточной функции Н(ω) звука с заранее определенными характеристическими опорными функциями Н(ω) звука может затем определяться текущее содержимое печи, такое как тип скрапа, и грубо распределение и развитие процесса правления. Соответствующая оценка может в примере выполнения по фиг.1 выполняться блоком 90 регистрации сигналов и вычисления, так как ему известны как измеренные сигналы трех сенсоров 50, 51 и 52, так и соответствующие сигналы возбуждения, которые от возбудителей 40, 41 и 42 колебаний через стенку 30 печи вводятся в корпус 20 печи.

Знание текущего содержимого печи и знание распределения и развития процесса плавления или экранирования стенки корпуса открывает возможность для оптимизированного автоматического производства. Для этого предусмотрено устройство 110 регулирования, которое на стороне входа связано с блоком 90 регистрации сигналов и вычисления, а на стороне выхода формирует параметры R регулирования для управления процессом плавления. Предпочтительным образом устройство 110 регулирования выполняет направляемое процессом, ориентированное на состояние регулирование для оптимизированного процесса плавления. Например, осуществляется регулирование трансформаторной и дроссельной ступеней, а также рабочих точек тока трех фаз, а также, при необходимости, превентивные вмешательства для перемещения электродов. Тем самым через оптимизацию ввода энергии может достигаться сокращение удельного потребления энергии и длительности плавки, а также уменьшение износа корпуса. Кроме того, могут определяться соответственно наилучшие моменты времени загрузки шихтовых материалов.

В итоге, раскрытая в качестве примера плавильная печь 10 согласно фиг.1-5 позволяет сделать развитее процесса плавки измеримым и выполнять направляемое процессом, ориентированное на состояние регулирование, с помощью которого мощность электрической дуги, которая вводится через электроды 120 в плавильную печь, оптимально подстраивается к текущему состоянию процесса.

Изобретение относится к металлургическому производству. Технический результат - повышение качества регулирования процесса плавки в печи. Плавильная печь (10) содержит по меньшей мере один возбудитель колебаний (40, 41, 42) и по меньшей мере один сенсор (50, 51, 52), которые размещены на корпусе (20) печи. Блок (90) регистрации сигналов и вычисления соединен с по меньшей мере одним возбудителем колебаний и с по меньшей мере одним сенсором. При этом в качестве возбудителя колебаний использован возбудитель колебаний звуковых волн, который расположен напротив сенсора таким образом, что часть звуковых волн от возбудителя колебаний звуковых волн через находящийся в корпусе печи расплав достигает сенсора. Блок регистрации сигналов и вычисления выполнен с возможностью определения времени распространения импульсов звуковых волн и/или интенсивности сигнала измеренных сенсором импульсов звуковых волн или формирования передаточной функции передачи звуковых волн между местом их возбуждения возбудителем колебаний звуковых волн и противолежащим сенсором. За счет этого осуществляется контроль положения расплава в плавильной печи, типа расплава или распределения расплава в плавильной печи. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Плавильная печь (10), содержащая по меньшей мере один возбудитель колебаний (40, 41, 42), который размещен на корпусе (20) печи, по меньшей мере один сенсор (50, 51, 52), который размещен на корпусе (20) печи, и блок (90) регистрации сигналов и вычисления, который соединен с по меньшей мере одним возбудителем колебаний и с по меньшей мере одним сенсором, при этом в качестве возбудителя колебаний использован возбудитель колебаний звуковых волн, который расположен напротив сенсора таким образом, что часть звуковых волн от возбудителя колебаний звуковых волн через находящийся в корпусе печи расплав достигает сенсора, при этом возбудитель колебаний звуковых волн выполнен с возможностью выработки звуковых волн в виде импульсов или с изменяющейся пилообразно частотой колебаний, а блок регистрации сигналов и вычисления выполнен с возможностью определения времени распространения импульсов звуковых волн и/или интенсивности сигнала измеренных сенсором импульсов звуковых волн или формирования передаточной функции передачи звуковых волн между местом их возбуждения возбудителем колебаний звуковых волн и противолежащим сенсором, и контроля положения расплава в плавильной печи, типа расплава или распределения расплава в плавильной печи путем оценки времени распространения звуковых волн и/или интенсивности сигнала сенсора или оценки упомянутой передаточной функции.

2. Плавильная печь по п.1, отличающаяся тем, что возбудитель колебаний выполнен с возможностью формирования импульса колебаний, длительность которого составляет 10 мс или менее.

3. Плавильная печь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что возбудитель колебаний выполнен с возможностью варьирования частоты колебаний в диапазоне от 10 Гц до 20 кГц.

4. Плавильная печь по п.1, отличающаяся тем, что с блоком регистрации сигналов и вычисления соединено устройство регулирования, которое выполнено с возможностью формирования параметров регулирования для регулирования процесса плавки.

5. Плавильная печь по п.1 или 4, отличающаяся тем, что каждому возбудителю колебаний соответствует противолежащий сенсор.

6. Способ контроля процесса плавки в плавильной печи, включающий внешнее возбуждение колебаний в корпусе печи возбудителем колебаний, измерение колебаний сенсором и их оценку, при этом сенсор располагают напротив возбудителя колебаний, а в качестве возбудителя колебаний используют возбудитель колебаний звуковых волн, выполненный с возможностью выработки звуковых волн в виде импульсов или с изменяющейся пилообразно частотой колебаний, при этом определяют время распространения импульсов звуковых волн и/или интенсивность сигнала, измеренных сенсором импульсов звуковых волн, или формируют передаточную функцию передачи звуковых волн между местом их внешнего возбуждения возбудителем колебаний звуковых волн и противолежащим сенсором и контролируют положение расплава, тип расплава или распределение расплава в плавильной печи путем оценки времени распространения и/или интенсивности сигнала или путем оценки упомянутой передаточной функции.